高频信号发生器

HEFEI UNIVERSITY

电子设计竞赛暑期培训报告

作品名称： 高频信号发生器 系 别： 合肥学院电子系10级（3）班 队员姓名： 都 平

葛如成 _ 舒强红

摘要

本设计设计制作的是高频信号发生器，简单介绍了高频正弦波振荡器的设计方法，主要应用LC振荡器中并联改进型电容三点式振荡电路（西勒电路）来产生频率在6MHZ—7MHZ的高频正弦波，该振荡电路主要由基本放大器、选频网路和反馈网络构成，当接通电源后，振荡电压要经历从无到有、从小到大逐步增长的过程，当电路进入平衡状态时，电路输出一个幅度和频率保持不变的正弦电压。在设计过程中先用仿真软件进行仿真，然后对其实际电路的性能进行测试，经过反复的调试最终得到满足课题要求的电路。

关键词：正弦波 LC振荡器 西勒电路

1．作品要求

1.1任务 一、任务

设计并制作一台高频函数信号发生器，

二、要求

1．基本要求

（1）制作完成一路正弦波信号输出，频率范围6MHz～7MHz； （2）具有频率设置和频率步进功能，频率步进200KHz；

（3）输出信号频率稳定度优于10，用示波器观察时无明显失真； （4）输出电压幅度：电压峰-峰值Vopp≥1V；

（5）数字显示正弦波的电压有效值、频率等，电压有效值精度5%，频率精度0.1%。 2．发挥部分

（1）将正弦波输出信号电压增加到Vopp≥10V，波形无明显失真， （2）频率可调范围扩展到6.5MHz～7.5MHz；频率步进200kHz；

（3）在6.5MHz～7.5MHz频率范围内，增加矩形波输出信号，频率可任意预置，频率步进200Hz， （4）其它。

-4

2．方案设计与论证

2.1总体方案论证

正弦波信号的产生可以有以下几种方法可供选择：

方案一：通过MAX038可以构成高频函数发生器，能够产生0.1Hz-20MHz的正弦波和方波波形。而且所产生的正弦波、方波的波形质量非常优异，波形失真小，正弦波失真度小于0.75%，是采用由其他芯片构成的函数发生电路所不能比拟的。在其外围电路确定的情况下，其频率可以通过改变芯片第10脚的电压改变。因此，我们可以通过单片机给相应的数字信号，再通过数模转化芯片将数字信号转化为模拟信号，接着用运放将电流转化成电压，给MAX038的第10脚，就可以实现对高频正线信号的数控。系统框图如下图所示：

图1 MAX038构成的高频函数发生器

方案二：通过ICL 8038精密振荡集成电路, 调整外部元器件从而产生从 0.001HZ～300kHz的低失真正弦波信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。通过调节选中60khz~70khz段频率，之后通过链两个CD4518计数器用电路合理的倍频1000倍，最终实现6Mhz~7Mhz的要求。系统框图如下图所示：

图2 基于ICL 8038精密振荡集成电路

方案三：可以先应用由基本放大器、选频网路和反馈网络构成的LC振荡电路将直流转换为交流正弦波，通过调节LC振荡电路选频网路中的可调电容，可以产生不同频率的正弦波高频信号，如可调电容的大小为100pf时，可产生频率为4MHZ—10MHZ的高频信号。然后调整电位器值的大小来改变输出正弦信号的电压峰—峰值的大小。系统框图如下图所示：

图3 正弦波振荡器

分析：虽然方案一通过MAX038构成的高频函数发生器所产生的正弦波的波形质量非常优异，波形失真小，电路也比较简单，但该电路的成本比较高，对基础知识的要求较低，达不到此次培训的目的，故不考虑采用此种方案。方案二通过ICL 8038精密振荡集成电路，虽然理论上经过倍频电路可产生符合要求的高频信号，但倍频电路较复杂，不好控制倍频的倍数，同时通过倍频后可能对高频电路产生影响，故此次也不考虑采用此种方案。方案三通过振荡器产生正弦波，虽然对基础知识要求较高，电路也较复杂，但能很好的实现题目要求，且成本较低，故采用此种方案。

2.2正弦波振荡器方案论证

正弦波自激振荡的基本原理如下框图所示，而产生正弦波自激振荡的平衡条件为：

在振荡电路中，当放大电路或正反馈网络具有选频特性时，电路才能输出所需频率

的正弦信号。也就是说，在电路的选频特性作用下，一个振荡器，只在振

荡频率f0的正弦信号时才能满足振荡条件。

图3 自激振荡的基本原理

振荡器主要分为RC，LC振荡器和晶体振荡器。因为本设计要求产生高频信号，而RC振荡器产生的信号频率比较低，所以RC振荡器不适合本设计。LC型正弦波信号发生器常用LC谐振电路作选频网络。变压器反馈式、电感三点式和电容三点式振荡电路是几种常用的LC型正弦波信号发生电路。

方案一：若采用变压器耦合式LC振荡电路，原理图如下图所示，RB1、RB2、RE为直流偏置电阻，LC选频网络作为放大器的电极负载，CB为耦合电容，变压器：UN1=Uo，UN2=Uf。；电路分析：

幅平条件：β≥ rbeRC / M（M互感；R：回路的损耗）一般都能满足； 相平条件：ω=ωo 即f = fo时，LC回路为纯阻，用瞬时极性法分析

反馈为正反馈，即满足ψa +ψf =2nπ。

振荡频率： f0≈

12πLC

图4 变压器耦合式LC振荡电路基本原理

方案二：若采用电感三点式LC振荡电路，原理图如下图所示，L1L2为带抽头的自耦变压器；从交流通道看，晶体管的三个电极接L的三个端点——电感三点式；Uf = UL2；电路分析：

幅平条件：β为正数，L1 / L2 = N1/ N2 = 3~7；

相平条件：ω=ωo 即f = fo时，LC回路为纯阻，反馈为正反馈； 振荡频率： f0≈电路特点：

a）因为L1 / L2耦合紧，因此容易起振。 b）调节频率方便。（可调节C）

c）由于Uf 取自L，所以Uf中含高次谐波多，因此Uo的波形差。

12πLC

=

1

2π(L1+L2+2M)C

图5 电感三点式LC振荡电路基本原理

方案三：若采用电容三点式LC振荡电路，原理图如下图所示, 从交流通道看，晶体管的三个电极接C的三个端点—电容三点式,Uf = Uc2; 电路分析（相平条件）：ω=ωo 即f = fo时，LC回路为纯阻,反馈为正反馈，所以满足相平条件。

振荡频率： f0≈电路特点：

a）由于Uf 取自C，所以Uf中含高次谐波少，Uo波形好。 b）因为C1 C2可以很小，所以fo可以很高。 c）调节fo可使Uf改变。

图6 电容三点式LC振荡电路基本原理

12πLC

L

方案四：若采用石英晶体振荡电路，石英晶体只所以能谐振是因为它具有压电效应：当给石英晶体外加交变电压时，会产生压电谐振，晶片的固有频率称为谐振频率，它与晶片的几何尺寸有关，具有很高的稳定性，而且可以作得很精确。所以可以作成十分理想的谐振系统。

C

图7 串联型石英晶体振荡器基本原理

此时JT工作于串联谐振以低阻抗接入电路

原理：f = fs时，JT为纯电阻最小，正反馈最强，电路产生自激振荡。

f ≠fs时，JT为一阻抗使幅（相）平条件难以满足无法振荡。 所以振荡频率fo = fs。

分析：由于本设计要求产生高频的正弦波，输出波形不易失真，

而且幅度要平稳，频率稳定性高，根据以上各个电路的特点及分析，我们决定采用方案三，即电容三点式电路，进一步考虑从而选用并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路），因为它作为可变f0振荡器使用非常方便，而且幅度平稳，频率稳定性高，最高振荡频率可达百兆至千兆等特点。

图8 西勒电路基本原理

3.理论计算

3.1 基本放大电路晶体管的静态工作点计算

LC振荡部分是由晶体管组成的电容三点式振荡器，所用并联改进型电容三点式振荡电路既西勒电路，如图8所示，Cb对交流短路，因此是基极接地（共集）电路。对于振荡电路选择共集组态主要考虑电容C4的改变来调节频率，因为变容二极管加反向偏置电压和调制电压，需要有公共接地点，通常选用共基电路在电路连接上比较方便，晶体管的静态工作点由Rb1、Rb2、Rc和Re决定，即：

VbQ=IcQ=

Rb2Rb1+Rb2Vcc-VccQRe+Rc

Vcc （3..11） （3..12）

VEQ=VBQ-VBE≈ICQRe （3..13）I

bQ

=

IcQ

β

（3..14）

由模拟电路的知识可得一般取VBQ=(3~5)V,且偏置电阻应满足：

（1+β）Re≈10Rb，Rb=Rb1||Rb2ICQ

，综上所述，所以可以取振荡器的静态工作点

Rb1Rb2Rb1+Rb2

=1.4mA，VCEQ=4V，所取三极管的β=45。可得

Rb=

（3..15）

Rb≈8kΩ ，（3..15）可得：取Rb1=50kΩ，Rb2=10kΩ时，由式由（1+β）Re10Rb≈

可求得：Re≈1.4kΩ ,因为ICQ=1.4mA，Vcc=12V 由式（3.1.2）可得：

16） Rc+Re≈5.4kΩ （3..

所以Rc≈4kΩ ,又由式(3.1.4)可得：IbQ=0.03mA,且：

VbQ=

Rb2Rb1+Rb2

Vcc

=2V (3.1.7)

振荡器的静态工作电流通常选在（1~4）mA，ICQ偏大可使输出电压幅度增加，但波形失真加重。频率稳定度差，ICQ过小会使Auo较小，起振困难。同时为了能够调节输出电压的大小，Rb1和Rc分别采用100k和5k的电位器来代替定值电阻。

3.2 振荡电路参数的计算

因为谐振频率的大小为：

f0=

12π

L1C∑

，C∑为C2、C3、C4、C5总电容，

如果选择C3远大于C2，C4远大于C2，则C∑≈C3+C5。根据题目要求振荡器振荡频率变化范围f0=6-7MHz，所以取L1=5uH，C2=47pF，C5变化范围为

20~120pF，因为C3和C4远大于C2和C5

，所以可取：C3=331pF，C4=220pF，

同时在反馈电容C4上并联一个30pF的可调电容来调节反馈的深度。通过调节可调电容C5就可以调节输出频率的大小。

4 电路的设计

我们选用的是并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路），根据以上的分析与计算，可得电路中每个参数的选择，可得该设计的整体电路图，C6为隔直电容，在反馈电容C4上并联一个30pF的可调电容来调节反馈的深度。通过调节可调电容C5就可以调节输出频率的大小。如下图所示：

图9 正弦波振荡器电路图

5 模块调试

5.1仿真电路的调试

通过仿真软件multisim作出如图9所示的仿真电路图，在仿真电路图取电感L的值为10uH，C5选用的是30pF的可调电容，在电路末端连接一个示波器，进行调试。打开示波器，会出现正弦波信号，先将可调电容C7定为0，连续不断的调节可调电容C5，可得到6MHZ—8MHZ的高频正弦波，然后调节反馈电容C7，发现无论怎么调节C7的大小，对频率的影响都不大，因为增加电容C7是为了实物调试的方便。在能够得到稳定的正弦波基础上，我们调节定位器 R1和R3来改变输出峰—峰值电压的大小，通过调节，我们发现最大输出峰—峰值电压能够达到10V以上，能够符合题目的要求。仿真电路的调试完全符合理论

值的计算。

5.2实物的调试

在仿真电路的调试没有问题的条件下，我们又对实物进行了调试，实物的调试可分为对调频网络的调试、反馈电路的调试、放大电路的调试。其中的重点和难点是对调频网络的调试。

1、调频网络的调试

我们根据仿真的结果进行实物制作，制作完成后，我们用示波器对实物进行调试。

在调试过程中发现示波器上输出的正弦波频率与仿真结果有一定的误差，于是我们不断改变电感L和电容C2的值来改变所得正弦波的的频率范围，首先为了增大调节范围，我们将C5换为120pF的可调电容，调试结果如下表所示：

根据以上调试结果，当输出频率满足题目要求，范围为：6MHZ—7MHZ时，可得电感L的大小应为5uH，电容C2的大小为47pF。 2、反馈网络的调试

由高频电子线路知识可得反馈电容C3和C4的比值决定了反馈的深度，在

调试过程中，我们调节并联在C4上的可调电容的值，发现对输出频率的影响很小，因此我们选用的反馈电容C3和C4的值分别为：331pF和220pF，能够满足题目的要求。

3、放大电路的调试

在输出正弦波的频率范围满足要求的条件下，我们通过调节放大电路的参数来改变输出电压的大小，电位器R1和R3的大小分别为：100k和5k，通过调节电位器 R1和R3的大小可改变输出电压的大小，通过调试可得输出的最大电压为1.6V,满足题意要求。

6 频率稳定度测试

稳定度的定义为由于外界条件的变化，引起振荡器的实际工作频率的偏离标称频率的程度。

稳定度的分类有三种：长期稳定度:一般指一天以上至几个月的时间间隔内的频率相对变化是，通常是由于电路中元器件老化引起的；短期稳定度:一般指一天以内，以小时、分钟和秒计时的时间间隔内的频率的相对变化。产生这种频率不稳定度的因素温度、电源电压等；瞬时稳定度：一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化，这种变化一般都具有随机性质。

6.1 测试工具

6.2 测试方法

瞬时频率稳定度的测量

方法一：在同一地点，在一个趋于稳定的频率范围内，在每隔1秒记录示波器的频率示数一次，共记录10次。后求出这组数据的方差。每隔一小时重复上述操作。共计十次。最后将每次算的的方差求平均。

方法二：在十个不同的地方，在一个趋于稳定的频率范围内，一个小时内测量频率的变化，每次测量时每隔1秒记录一个每次10条记录。后将测量的数据求方差，即为该频率的稳定度。

方案比较：方案一做起来简洁、方便，可实施性强。故选择第一个方案

进行频率稳定度的测量。

6.3 测试结果

测量结果显示频率稳定度为0.000875比指定制表略低。测试数据和结果见附录1

7 总结

经过近一个星期的奋斗，暑期的第四个题目高频正弦信号产生模块的设计与作，终于接近尾声了，而在此期间感悟颇多。

首先，我觉得高频电路总重要的还是理论基础，没有这个理论作为基础高频电路是没有多大可能性做完的，所以我们在正是仿真之前系统的学习了大三高频书上有关高频信号的内容。这对我们直接可以把电路仿真成功以及焊接成功是非常重要的。

其次，我觉得这个题目是我感受到了电子设计的设计成分，这使我从前三个题目中所学不到的，前几个题目呢我们一直处于在模仿状态，可是我可以自豪的说本次课题我们已经开始逐渐的融入了自己的思想，能够应用所学的知识，逐渐的开始做到设计这个过程了，我认为这个过程对以后是大有裨益的‘

接着，再出现的问题上，我认为调试阶段使整个过程中最麻烦的，最烦人的，在这次调试过程中，我们实际中尝试了很多的方法去改变谐振的电容电感值从而达到自己的想要的那个频率。所以我觉得理论如果不应用于实践我认为是一点作用都没有的，而且用于实际可以更好的让自己理解理论。这个过程虽然很麻烦可是我们学到了很多，这个我认为是值得的。

最后，我们感觉，我们要想在这条路上走的更远，我们就必须付出更多的努力。因为我们都清楚的认识到现在的我们已经不只是停留在模仿、借鉴上，已经逐渐的开始自己的设计道路了，我觉得再过不久我们就可以真的做到设计了，我希望我们组可以！

8 参考文献

【1】康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.北京.高等教育出版社.2005 【2】康华光.电子技术基础数字部分（第五版）.北京.高等教育出版社.2005 【3】廖惜春.高频电子线路（第三版）.北京.电子工业出版社.2010年 【4】黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京航空航天大学出版社，

2006

附录1

瞬时频率稳定度的测量结果